聯合團隊利用包含纖維素降解酶和淀粉合成酶的體外多酶分子體系，與釀酒酵母進行生物轉化，可以把玉米秸稈中的纖維素高效酶水解合成人造淀粉，同時在有氧條件下低成本發酵生產微生物蛋白。全球人口的快速增長和氣候變化將使人類面臨糧食安全的巨大挑戰。利用合成生物技術將農業廢棄物資源高效轉化為人造糧食則是緩解糧食危機，實現農業可持續發展的重要途徑之一。
近日，中國科學院天津工業生物技術研究所聯合中國農業科學院生物技術研究所，開發了一種利用玉米秸稈高效生物合成人造淀粉和單細胞蛋白的新技術，進一步降低了人造淀粉的生產成本，為糧食生產提供了新的途徑。相關研究論文在線發表于《科學通報》（英文版）。
用木質纖維素生產淀粉有望緩解糧食危機
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全球每年會產生約2000億噸木質纖維素，由于每噸木質纖維素含有約40%的纖維素，因此每年約有800億噸的纖維素產生。
“人類可以消化α-1，4-糖苷鍵連接而成的葡聚糖，即淀粉，但由于人體缺乏纖維素水解酶，因此無法從木質纖維素中消化由β-1，4-糖苷鍵連接而成的葡聚糖如纖維素。如果能將β-1，4-糖苷鍵連接組成的葡聚糖通過酶促反應轉化為α-1，4-糖苷鍵連接組成的葡聚糖，即利用非食品生物質生產淀粉有望緩解糧食危機，對于人類來說將是一個重大利好。”論文通訊作者之一、中國科學院天津工業生物技術研究所研究員馬延和說。
開發體外多酶分子體系提高人造糧食生產效率
該研究利用包含纖維素降解酶和淀粉合成酶的體外多酶分子體系，與釀酒酵母進行生物轉化，可以把玉米秸稈中的纖維素高效酶水解合成人造淀粉，同時在有氧條件下低成本發酵生產微生物蛋白。
“在這項研究中，我們首次創建了低成本的從商業化纖維素酶中去除β-葡萄糖苷酶的高效纖維素降解及纖維二糖生成技術，有效地從纖維素酶混合物中去除了β-葡萄糖苷酶，使用纖維素—酶—酵母復合物減輕了纖維素水解產物的反饋抑制，提高纖維素酶水解能力。”論文通訊作者之一、中國農業科學院生物技術研究所研究員張偉說。
論文通訊作者之一、中國科學院天津工業生物技術研究所研究員張以恒說：“傳統生物制造需依賴活的生物體如微生物、植物和動物等，但大量能量和糖資源卻用于與生物制造無關的生物自我繁殖、復制以及生命維持，制約了制造效率的提升。體外多酶分子體系是一種合成生物學新工具，完全避免了上述不必要的浪費，極大地提高了能源利用率，就如農業生產中的機械代替耕牛，使得人造糧食的高生產效率成為可能。”
“該研究重要的技術突破之一是低成本制備胞內重組酶，團隊改造了重組酶表達菌株，使用廉價無機氮源和葡萄糖培養基，以超高密度進行微生物培養，將關鍵重組酶生產成本降低到接近最低理論值，實現每公斤重組酶（干重）生產成本僅250元，相對于實驗室搖瓶發酵和常規酶純化技術，降低酶成本100萬倍左右；突破之二是在利用現有低成本纖維素酶的基礎上，采用新技術去除β-葡萄糖苷酶后即可高效、穩定可控地水解纖維素，其成本相較昂貴的純化纖維素酶降低近100萬倍。”張以恒說。
這種新技術為生產人造糧食開辟了新途徑，做到了以前沿新技術端牢中國飯碗，實現“藏糧于技、藏糧于山、藏糧于林”，有望解決糧食儲存的經濟困局，夯實中國糧食安全根基。
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